Fase (materia)
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En las ciencias f??sicas , una fase es una conjunto de estados de un sistema f??sico macrosc??pico que tienen composici??n qu??mica relativamente uniforme y propiedades f??sicas (es decir, la densidad , estructura cristalina, ??ndice de refracci??n, y as?? sucesivamente).
Fases vs. estados de la materia
Las fases se confunden a veces con estados de la materia, pero existen diferencias significativas. Estados de la materia se refiere a las diferencias entre los gases , l??quidos , s??lidos , plasma , etc. Si hay dos regiones en un sistema qu??mico que se encuentran en diferentes estados de la materia, entonces deben ser diferentes fases. Sin embargo, lo contrario no es cierto - un sistema puede tener m??ltiples fases que est??n en equilibrio entre s?? y tambi??n en el mismo estado de la materia. Esta diferencia es especialmente importante cuando se considera la Regla de las fases de Gibbs, que regula el n??mero de fases permitidos.
Las mezclas pueden tener varias fases, que a menudo sucede cuando dos sustancias inmiscibles se disuelven uno en el otro en peque??as cantidades. Por ejemplo, una mezcla puede estar compuesta de una fase de aceite (aceite de 95%, 5% de agua) y una fase de agua (95% de agua, aceite de 5%).
El polimorfismo es la capacidad de un s??lido de existir en m??s de una forma cristalina. Por ejemplo, el agua de hielo se encuentra normalmente en forma hexagonal Hielo Ih, pero tambi??n puede existir como la c??bica Ic hielo, la rhombohedral II hielo, y muchas otras formas.
Fases amorfas tambi??n son posibles con la misma mol??cula, tales como de hielo amorfo. En este caso, el fen??meno se conoce como poliamorfismo.
Para los elementos qu??micos puros, el polimorfismo se conoce como alotrop??a . Por ejemplo, el diamante , grafito, y fulerenos son diferentes al??tropos de carbono .
Definici??n general de las fases
En general, dos estados diferentes de un sistema se encuentran en diferentes fases si hay un cambio brusco en sus propiedades f??sicas mientras que la transformaci??n de un estado a otro. Por el contrario, dos estados est??n en la misma fase si pueden ser transformados en uno al otro sin ning??n tipo de cambios abruptos. Hay, sin embargo, excepciones a esta afirmaci??n - por ejemplo, el punto cr??tico l??quido-gas se discute m??s adelante en la secci??n de diagramas de fase.
Un punto importante es que los diferentes tipos de fases se asocian con diferentes cualidades f??sicas. Al discutir el s??lido, l??quido y fases gaseosas, hablamos de rigidez y capacidad de compresi??n, y los efectos de la variaci??n de la presi??n y el volumen, porque esas son las propiedades relevantes que distinguen a un s??lido, un l??quido y un gas. Por otro lado, cuando se habla de paramagnetismo y ferromagnetismo, nos fijamos en la magnetizaci??n, porque eso es lo que distingue a la fase ferromagn??tica de la fase paramagn??tica. Varios m??s ejemplos de fases se dan en la siguiente secci??n.
En lenguaje m??s t??cnico, una fase es una regi??n en el espacio de par??metros de variables termodin??micas en el que la energ??a libre es anal??tica; entre tales regiones hay cambios bruscos en las propiedades del sistema, que corresponden a discontinuidades en las derivadas de la funci??n de energ??a libre. Mientras la energ??a libre es anal??tico, todas las propiedades termodin??micas (tales como entrop??a , capacidad calor??fica, magnetizaci??n, y compresibilidad) ser?? buen comportamiento, ya que se pueden expresar en t??rminos de la energ??a libre y sus derivados . Por ejemplo, la entrop??a es el negativo de la primera derivada de la energ??a libre con la temperatura (a presi??n constante).
Cuando un sistema pasa de una fase a otra, generalmente habr?? una etapa en la energ??a libre es no anal??tico. Esto es un transici??n de fase. Debido a esta falta de analiticidad, las energ??as libres a ambos lados de la transici??n son dos funciones diferentes, por lo que una o m??s propiedades termodin??micas se comportan de manera muy diferente despu??s de la transici??n. La propiedad m??s com??nmente examinado en este contexto es la capacidad calor??fica. Durante una transici??n, la capacidad t??rmica puede llegar a ser infinita, salta bruscamente a un valor diferente, o exhibir una "torcedura" o discontinuidad en su derivado . Ver tambi??n calorimetr??a diferencial de barrido.
Los diagramas de fase
Las diferentes fases de un sistema pueden ser representados mediante un diagrama de fase. Los ejes de los diagramas son las variables termodin??micas relevantes. Para los sistemas mec??nicos simples, generalmente usamos el la presi??n y la temperatura .
Las marcas en el diagrama de fases muestran los puntos en los que la energ??a libre es no anal??tico. Los espacios abiertos, donde la energ??a libre es anal??tica, corresponden a las fases. Las fases se separan por l??neas de no-analiticidad, donde se producen transiciones de fase, que se denominan l??mites de fase.
En el diagrama, el l??mite de fase entre el l??quido y el gas no contin??a indefinidamente. En su lugar, termina en un punto en el diagrama de fase llamada la punto cr??tico. A temperaturas y presi??n por encima del punto cr??tico, las diferencias de propiedades f??sicas que diferencian a la fase l??quida de la fase gaseosa se vuelven menos definidos. Esto refleja el hecho de que, a muy altas temperaturas y presiones, las fases l??quida y gaseosa se vuelven indistinguibles. En el agua, el punto cr??tico ocurre en alrededor de 647 K (374 ?? C o 705 ?? F) y 22.064 MPa.
La existencia del punto cr??tico l??quido-gas revela una ligera ambig??edad en las definiciones anteriores. Cuando se pasa de la fase l??quida a la gaseosa, por lo general se cruza el l??mite de la fase, pero es posible elegir un camino que nunca cruza la frontera por ir a la derecha del punto cr??tico. Por lo tanto, las fases a veces pueden mezclar continuamente una en la otra. Esta nueva fase que tiene algunas propiedades que son similares a un l??quido y algunas propiedades que son similares a un gas se llama fluido supercr??tico. Debemos tener en cuenta, sin embargo, que esto no siempre ocurre. Por ejemplo, es imposible que el l??mite de fase s??lido-l??quido para terminar en un punto cr??tico de la misma manera como el l??mite de l??quido-gas, debido a que las fases s??lida y l??quida tienen diferente simetr??a.
Una cosa interesante a destacar es que el l??mite de la fase s??lido-l??quido en el diagrama de fases de la mayor??a de las sustancias, como la que se muestra m??s arriba, tiene una pendiente positiva. Esto es debido a la fase s??lida que tiene una mayor densidad que el l??quido, por lo que el aumento de la presi??n aumenta la temperatura de fusi??n. Sin embargo, en el diagrama de fases para el agua del l??mite de fase s??lido-l??quido tiene una pendiente negativa. Esto refleja el hecho de que el hielo tiene una densidad menor que el agua, que es una propiedad inusual para un material.
La separaci??n de fases
La separaci??n de fases es la transformaci??n de un sistema homog??neo en dos (o m??s) fases y se encuentra com??nmente en muchas ramas de la ciencia y la tecnolog??a. Un ejemplo es el cristalizaci??n de un s??lido a partir de una soluci??n. Un modelo matem??tico universal de separaci??n de fase es proporcionada por el Ecuaci??n Cahn-Hilliard.
Equilibrio de fases
La distribuci??n de la energ??a cin??tica entre las mol??culas no es uniforme, y cambia al azar. Esto significa que en, por ejemplo, la superficie de un l??quido, puede haber una mol??cula individual con suficiente energ??a cin??tica para saltar a la fase gaseosa. Del mismo modo, las mol??culas de gas individuales pueden tener la energ??a cin??tica suficientemente bajo como para unirse a otras mol??culas en la fase l??quida. Este fen??meno significa que a cualquier temperatura y presi??n dadas, m??ltiples fases pueden coexistir.
Por ejemplo, bajo condiciones est??ndar de temperatura y presi??n, un taz??n de agua l??quida en el aire seco se evaporan hasta la la presi??n parcial del agua gaseosa es igual a la presi??n de vapor de agua. En este punto, la tasa de mol??culas que salen y que entran en la fase l??quida se convierte en el mismo (debido al aumento del n??mero de mol??culas de agua gaseosos disponible para volver a condensar). El hecho de que las mol??culas l??quidas con energ??a cin??tica superior a la media se han eliminado de los resultados de taz??n en la refrigeraci??n por evaporaci??n. Procesos similares pueden ocurrir en otros tipos de l??mites de fase.
Gibbs regla de las fases relaciona el n??mero de fases posibles, y si es o no se llegar?? a un equilibrio variables como la temperatura y la presi??n.
Transici??n de fase
La transici??n de fase o, de cambio de fase, describe cuando una sustancia cambia de estado de la materia - ex. la fusi??n del hielo al agua es un cambio de fase debido a un s??lido cambia a l??quido. Para que se produzca un cambio de fase, la energ??a debe ser a??adido o removido de la sustancia. La energ??a de calor, o entalp??a, asociado con un s??lido a la transici??n de l??quido es el entalp??a de fusi??n, que por l??quido a gas es la entalp??a de vaporizaci??n, y para s??lido a gas es la calor de sublimaci??n. Adici??n o eliminaci??n de la energ??a va a cambiar la temperatura de la sustancia, ya que la energ??a cin??tica de las part??culas aumenta o disminuye normalmente. Durante un cambio de fase sin embargo, la energ??a potencial de los cambios de sustancias como las part??culas se mueven m??s separados o m??s cerca juntos. No hay cambio en la energ??a cin??tica de las part??culas y por lo tanto ning??n cambio resultante en la temperatura.
